Методы и средства проектирования каналов декаметровой радиосвязи

Актуальность проблемы.

Несмотря на огромные достижения в области спутниковых систем связи (ССС), декаметровая радиосвязь в настоящее время продолжает играть важную роль при осуществлении передачи данных на дальние и сверхдальние расстояния как объектами гражданских ведомств, так и подразделениями силовых структур РФ.

В военной связи РФ особое место, по-прежнему, принадлежит коротковолновой (KB) связи как одному из базовых видов резервной связи. Учитывая территориальный размах РФ и ограниченные возможности гражданских сетей в экстремальной обстановке, можно ожидать, что ныне занимаемое военной KB радиосвязью место в системах управления войсками и оружием в обозримом будущем станет еще более значимым [25, 58].

Уступая ССС по надежности передачи сообщений, KB системы связи (СС) значительно проще, дешевле, обладают более высокой живучестью, обеспечивают связь в глубоких горных ущельях и защищены от несанкционированного точного определения координат корреспондентских передатчиков.

Особенно важна высоконадежная передача сообщений при использовании KB СС в чрезвычайных ситуациях (природных катаклизмах, пожарах, военных действиях и т. п.). Высоконадежные каналы декаметровой радиосвязи могут быть использованы также различными ведомствами в мониторингах систем, расположенных на очень больших территориях [104−106].

Важно отметить тот факт, что, в отличие от ССС, сотовых и телефонных линий связи, в России до сих пор нет единой KB сети радиосвязи со свободным доступом пользователей. Такого рода KB сеть связи может быть создана на базе разработанных в диссертации высоконадежных каналов связи (КС) с использованием базовых ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на оптимальные для распространения декаметровых радиоволн расстояния [28−36, 74, 78, 85, 103−106, 115, 149, 159−162, 169−171, 177−186, 251,252, 255,265,282].

Декаметовый канал радиосвязи отличается большой сложностью, обусловленной как многолучевостью, зависимостью рабочей частоты от времени года, времени суток, протяженности трассы, так и присутствием большого числа аддитивных помех от посторонних радиостанций, а также наличием возможных преднамеренных помех, создаваемых противоборствующей стороной. Анализ мероприятий, проводимых командованием ВС США и ОВС НАТО с начала 90-х годов, свидетельствует о повышении роли в составе современных вооруженных сил систем разведки и помех сетям связи. Возможность влияния преднамеренных помех на вооруженную борьбу значительно расширилась, и средства разведки со средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) играют все большую роль при ведении боевых действий [58].

Особенно большие трудности в KB канале возникают при связи с подвижными объектами (ПО), так как на подавляющем большинстве ПО из-за их ограниченных энергетических ресурсов и малых геометрических размеров невозможно использовать мощные передатчики и высокоэффективные антенны.

Проектирование KB каналов связи (КС) тесно связано с исследованием явлений, влияющих на надежность передачи сообщений (коэффициент исправного действия (КИД) канала связи) и происходящих как в среде распространения, так и в приемопередающих трактах связной аппаратуры. Под надежностью передачи сообщений в данном случае понимается отношение числа сообщений, принятых с заданным уровнем качества к общему числу переданных сообщений.

Методами и средствами проектирования КС являются натурные исследования характеристик среды распространения сигналов, а также исследования в лабораторных и естественных условиях свойств и алгоритмов функционирования приемопередающей аппаратуры, физическое, аналитическое, имитационное и имитационно-аналитическое моделирование среды распространения и технических средств, входящих в состав KB КС с целью определения всевозможных факторов, влияющих на надежность передачи сообщений и с целью сравнения надежности передачи сообщений различных вариантов проектируемых КС между собой и с вариантами ранее разработанных и находящихся в эксплуатации систем связи.

Учитывая все вышеизложенное, следует признать актуальной задачей рассматриваемую в диссертации проблему разработки средств проектирования каналов декаметровой радиосвязи и проведенную в целях решения этой проблемы разработку различных методов математического и физического моделирования каналов связи максимально учитывающих сложные условия их функционирования [4−8, 48, 92−94, 101, 102, 120−124, 128−131, 172−176, 187−202, 284 и др.], позволяющих научно обосновывать выбираемые при проектировании технические решения, существенно сокращать время опытно-конструкторских работ, повышать качество этих работ и уменьшать материальные затраты на их проведение.

Целью работы явилось:

1. Разработка метода исследования тонкой структуры декаметрового КС посредством наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов.

2. Разработка математических методов моделирования [4, 7, 92−94, 102, 120 124, 128, 129, 173, 176, 188, 189, 194−198, 202, 220, 233, 282] как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры, так и декаметрового КС в целом [6, 48, 130, 131, 172, 174, 175, 187, 190−193, 200, 216, 218, 221, 243], учитывающих как тонкую структуру среды распространения (многолучевость), так и другие факторы, (различного рода аддитивные помехи, нелинейные явления, происходящие в усилительных трактах (УТ) радиоприемных устройств (РПУ) и т. д.), которые влияют на надежность передачи сообщений.

3. Разработка математических [147, 187, 192, 193, 196, 197, 275] и физических [20, 115, 238, 239] методов моделирования сравнительных трассовых испытаний KB СС, позволяющих прогнозировать их свойства на ранней стадии проектирования и за счет этого повышать качество разрабатываемых устройств при одновременном сокращении сроков натурных сравнительных трассовых испытаний СС и уменьшении материальных затрат на их проведение за счет лабораторных испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным.

4. Использование разработанных методов математического и физического моделирования КС для проектирования KB СС с подвижными объектами (ПО), отличающихся высокой надежностью и скрытностью [53, 103−106, 115, 159, 169−171, 177−186, 284−255 и др.].

Под высоконадежными КС далее понимаются каналы, обеспечивающие энергетический выигрыш не менее чем 10^-20 дБ по сравнению с каналами, в которых используются такие наиболее распространенные виды работ, как, например, ОФТ-500 и ЧТ-125.

Предмет исследования.

В диссертации решается актуальная научная проблема, которая заключается в разработке методов исследования декаметровых каналов связи посредством наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами [35, 36], разработке новых и совершенствовании известных методов математического и физического моделирования как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры [4, 7, 92−94, 102, 120−124, 128, 129, 173, 176, 188, 189, 194−198, 202, 220, 233, 282], так и в целом декаметрового КС [6, 48, 130, 131, 172, 174, 175, 187, 190 193, 200, 216, 218, 221, 243], позволяющих адекватно воспроизводить все основные особенности его функционирования в различных сечениях, исследовать и научно обосновывать с помощью разработанных моделей технические решения, обеспечивающие повышение надежности передачи сообщений по KB КС в условиях многолучевости и сложной помеховой обстановки за счет использования наиболее рациональных методов модуляции, разнесенного приема сигналов, интегральной оценки качества принимаемых сообщений, наиболее оптимальных алгоритмов адаптации к условиям связи и наиболее рационального выбора структуры KB КС, например, с использованием ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на оптимальные с точки зрения распространения радиоволн расстояния (2000;3000 км) [47,103−107, 115, 159, 169−171, 177−186, 251,252, 255,282].

В диссертации рассмотрены также отдельные вопросы проектирования KB систем связи, имеющих повышенную скрытность при работе в условиях функционирования радиоразведки и средств РЭБ противника.

Полученные в диссертации результаты имеют большое значение как для успешного развития экономики страны, так и для повышения ее обороноспособности.

Методы исследования.

Работа проведена с использованием методов аналитического [52, 93, 94, 102, 113, 120, 124, 173, 176, 194, 204, 205, 220, 223, 226−228, 232, 233, 282], имитационно-аналитического [4−8, 59, 92, 121−123, 128, 129, 131, 147, 192, 196−201, 207, 224−230], имитационно-параметрического [172, 174, 175, 187−193, 202, 208, 211 215, 218, 221, 275], имитационного компьютерного [48, 175] и физического [20, 115, 238, 239] моделирования, а также трассовых испытаний [192, 193, 275].

Алгоритмы компьютерных моделей базируются на статистической теории связи, теории передачи дискретных сообщений, теории случайных процессов и математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, теории нелинейных электрических цепей, теории модуляции и теории специальных функций.

В работе использованы результаты исследований, полученные В. А. Котельниковым, А. А. Харкевичем, В. И. Сифоровым, A.M. Заездным, Н. Т. Петровичем, J1.M. Финком, Д. Д. Кловским, Н. П. Хворостенко, В. Д. Челышевым, Д. Миддлтоном, Р. Шенноном и др. отечественными и зарубежными учеными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Метод аналитического моделирования УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов.

Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов (НЭ) (усилителей, преобразователей частоты, ограничителей и др.), заключающийся в аппроксимации проходных характеристик (ПХ) этих элементов комбинированными функциями [94, 102, 109, 113, 173, 176, 194, 195, 204, 205, 226−228, 230, 232, 233, 237, 282]. Разработанный метод отличается от общеизвестных тем, что позволяет получить предельно компактные аналитические выражения, которые дают возможность реализовать имитационно-аналитические модели сравнительных трассовых испытаний РПУ, имеющих различные параметры.

2. Метод аналитического моделирования цифровых РПУ.

Квантователи являются основным элементом аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровых РПУ. На основе метода представления ПХ НЭ комбинированными функциями (п. I) разработан новый метод аналитического моделирования квантователей с неограниченным и ограниченным числом шагов квантования [92−94, 232, 233, 282]. Разработанный метод позволяет аналитическим путем определять все основные характеристики цифровых РПУ и дает возможность рассчитывать интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при неограниченном количестве воздействий на вход цифрового РПУ, что необходимо при имитационно-аналитическом моделировании трассовых испытаний цифровых РПУ в присутствии станционных помех.

3. Метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний обычных и цифровых РПУ.

На основе аналитического метода моделирования УТ РПУ (п. I) разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ, отличающихся динамическим диапазоном, алгоритмами адаптации к условиям связи, характеристиками АЦП и другими параметрами, который позволяет оценивать влияние отдельных характеристик радиоприемного тракта на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания фильтра предварительной избирательности (ФПИ) РПУ [4, 6, 92, 120, 128, 147, 196−198, 200].

4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных каналов связи.

4.1. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного канала связи с переменными параметрами без краевых искажений сигнала для сечения «выход кодера» — «вход декодера» [172, 174, 175, 187, 188, 190, 191, 207, 218, 243], который отличается от известных методов Гильберта, Эллиота, Фричмана-Свободы, Попова-Турина и др. тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры KB КС, замираний как сигнала, так и станционных помех, попадающих в полосу пропускания фильтра основной избирательности (ФОИ) РПУ и вида модуляции сигнала. Разработанный метод моделирования дискретного канала связи учитывает явление сдваивания ошибок при относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [172, 174, 192, 193, 218, 275] и кодеков с учетом возможной цикловой рассинхронизации из-за наличия «вставок» и «выпадений» элементов, появляющихся вследствие замираний отдельных лучей в КС при высоких скоростях манипуляции.

4.2. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения «выход кодера» — «вход регенератора» [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240 243], который отличается от известного метода моделирования с отклонениями фронтов по нормальному закону тем, что он учитывает многолучевую структуру KB КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления элементов, происходящие при малых отношениях сигнал/помеха, имеющих место во время глубоких замираний сигнала. Этот метод дает возможность исследовать эффективность алгоритмов функционирования регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по величине телеграфных искажений и т. д.

4.3. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения «выход кодера» выход фильтра нижних частот демодулятора", разработанный на основе метода моделирования КС с краевыми искажениями (п. 4.2) [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240−243]. Этот метод моделирования КС не имеет аналогов и позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) демодулятора.

5. Метод имитационного математического моделирования двухмерного КС.

Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения «выход модулятора» — «выход усилительного тракта РПУ» [48, 172, 174, 175], который учитывает как тонкую структуру KB канала, так и динамический диапазон УТ РПУ. Он позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от вида) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче с учетом изменения как его амплитуды, так и фазы. Отличительной особенностью этого имитационного метода моделирования является то, что он позволяет учитывать влияние нелинейности входных элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе. При моделировании устройств цифровой обработки сигналов этот метод позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.

6. Метод имитационного компьютерного моделирования трехмерного канала связи, позволяющий определять параметры электромагнитного поля в точке приема сигнала, что дает возможность создать пространственно-временную (ПВ) модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого КС и углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [172, 174, 175, 216, 218]. ПВ модель дает возможность исследовать эффективность пространственнои поляризационно-разнесенных способов приема сигналов, а также различных методов компенсации станционных помех.

7. Метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи [26, 37], не имеющий аналогов и отличающийся тем, что используется принятый из эфира гармонический сигнал от передатчика, находящегося на заданном удалении от приемника. Данный метод физического моделирования позволяет скрытно имитировать трассовые испытания низкоскоростных систем связи в условиях максимально приближенных к реальным. На данный метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи получено авторское свидетельство на изобретение.

8. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, позволяющий исследовать тонкую структуру многолучевого KB канала связи, с автоматической регистрацией параметров как общей огибающей его импульсной реакции, так и комплексных коэффициентов передачи индивидуально выбранных лучей, которые являются функциями времени.

Результаты исследований, полученные с помощью системы наклонного зондирования ионосферы, были использованы при разработке вышеперечисленных компьютерных моделей.

Практическая ценность работы.

1. Разработанная под руководством автора диссертации система наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов позволила досконально исследовать тонкую структуру многолучевости односкачковой декаметровой широтной трассы Ленинград-Омск и получить все основные характеристики импульсной реакции этой трассы как функций времени, которые в дальнейшем были использованы при физическом и математическом моделировании KB канала связи.

2. Разработанные автором диссертации методы моделирования КС дают возможность прогнозировать их свойства на начальной стадии проектирования СС, за счет чего повышать качество разрабатываемых средств связи, обеспечивая высокую надежность передачи сообщений по KB КС, а также позволяют сократить сроки проектирования СС и, соответственно, уменьшить материальные затраты на его проведение.

3. Результаты, полученные автором с помощью разработанных им методов имитационного компьютерного и физического моделирования трассовых испытаний [20, 115, 172, 174, 175, 187, 188, 190, 191, 218, 238, 239, 243, 284] для исследования максимально достижимых значений КИД KB КС за счет предельно возможного снижения скорости манипуляции [115, 192, 193, и др.], позволили разработать и внедрить в серийное производство высоконадежные и скрытные от противника системы связи с ПО, которые были приняты на вооружение сухопутными войсками и военно-морским флотом России.

4. Разработанный имитационно-аналитический метод моделирования трассовых испытаний УТ РПУ в сложных условиях позволил обосновать наиболее оптимальную структуру их построения, алгоритмы адаптации РПУ к условиям связи и необходимый динамический диапазон, при котором реальное РПУ энергетически незначительно проигрывает идеальному [6, 128, 130, 131, 147, 196−201]. Так, например, исследования алгоритмов адаптации РПУ к условиям связи, результаты которых получены под непосредственным руководством автора диссертации и приведены в работах [129, 198], показали необходимость применения в РПУ автоматической регулировки чувствительности, которая и была реализована в Омском НИИ приборостроения при проектировании современных KB РПУ.

5. Разработанные автором диссертации методы моделирования KB КС были использованы при исследовании надежности передачи сообщения, когда функционируют средства радиоразведки и радиопротиводействия противника, что позволило выработать определенные полезные рекомендации для случая эксплуатации KB СС в этих условиях.

6. Разработанный метод аналитического моделирования НЭ был использован специалистами ОНИИП при проектировании активных приемных антенн [101, 102].

7. Разработанные методы математического моделирования KB каналов связи используются в ОНИИП для исследования помехоустойчивости перспективных высокоскоростных методов передачи сообщений [53].

8. Результаты компьютерного моделирования КС, базирующиеся на предложенных автором методах, позволили научно обосновать технические решения построения высоконадежных каналов декаметровой мобильной автоматической радиосвязи, которые предполагается использовать для передачи сообщений со стороны источников сообщений в KB сетях связи со свободным доступом пользователей, интегрированных со всеми существующими сетями передачи дискретных сообщений и в территориально-рассредоточенных мониторинговых системах [103, 104−107, 159−162, 169−171, 177−186, 251, 255].

9. На основе разработанных автором методов имитационного моделирования каналов связи возможно создание экспертных систем для радиоцентров и тренажеров для операторов радиостанций, где они могут использоваться для повышения уровня профессионализма операторов и при аттестации обслуживающего персонала.

10. Разработанные методы моделирования могут использоваться в высших и средних специальных учебных заведениях при проведении лабораторных, курсовых и дипломных работ по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи», «Основы теории связи с подвижными объектами», «Моделирование систем связи» и др. [108−113, 187, 203−205, 207−215, 223−231].

11. Так как декаметровый диапазон радиоволн является наиболее сложным по сравнению со всеми другими, то разработанные в диссертации методы математического моделирования каналов связи могут быть использованы и во многих других диапазонах радиоволн.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Результаты исследований методом математического моделирования алгоритмов адаптации РПУ по чувствительности к условиям связи [129, 198, 249] реализованы в Омском НИИ приборостроении в современных РПУ «Бригантина», «Артек-Гелиос», «Ольхон-Гелиос», «Скаляр» и др.

2. Система наклонного зондирования ионосферы, разработанная под руководством автора диссертации, после окончания НИР была передана в эксплуатацию в Институт солнечно-земной физики СО РАН.

3. Предложенный и научно обоснованный в работе способ повышения надежности передачи сообщений в сложных условиях связи был исследован под непосредственным руководством автора в Омском НИИ приборостроения в НИР «Обрыв», «Шорох-Бурун», «Десна», «Тишина» и «Киренга» .

4. Результаты исследований по п. 3 были внедрены в ОКР «Бриллиант» (под непосредственным руководством автора) и в ОКР «Околыш», которые были приняты Заказчиками на вооружение. Документация, разработанная в ходе этих ОКР, была передана на заводы для серийного производства этих изделий.

5. На основные новые технические решения, найденные в вышеуказанных работах и способствующие повышению надежности передачи сообщений по КС, были получены двенадцать авторских свидетельств, в том числе [244−250] и подано четыре новых заявки на изобретение [251−254].

6. Пакет программ имитационно-аналитических моделей КС, разработанных в соответствии с алгоритмами, предложенными автором диссертации, был использован в ОНИИП в ходе проведения НИР «Шорох-Бурун», «Десна», «Тишина», «Киренга» и др. Методы аналитического моделирования УТ РПУ и имитационно-аналитического моделирования трассовых испытаний РПУ были также использованы в ОНИИП при разработке системы моделирования «ОМЬ-1» и применялись в НИР «Вега», «Астеройд», «Выгон» и в других НИР и ОКР.

7. В ОмГТУ на кафедре «Средства связи и информационная безопасность» в курсах «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи» и «Моделирование систем связи» в 27 разработанных непосредственно автором компьютерных лабораторных работах используются рассмотренные в диссертации аналитические, имитационно-аналитические и имитационные методы математического моделирования отдельных элементов и КС в целом [108−113, 172 174, 187, 203−205, 207−215, 223−230]. Эти методы моделирования используются также при выполнении студентами курсовых и дипломных работ по этим и другим дисциплинам.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

— на 2-й Научно-технической конференции «Проблемы оптимальной фильтрации», Москва, 1968 г. [219];

— на 2-м Всесоюзном симпозиуме «Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах», Минск, 1980 г. [92, 129, 197]- на Всесоюзном научно-техническом совещании «Проблемы ЭМС радиоэлектронных средств», Москва, 1982 г. [4, 199] ;

— на заседании-семинаре «Проблемы ЭМС в радиоприемных устройствах», Москва, 1983 г. [5, 101];

— на научно-техническом семинаре «Вопросы оптимизации радиотрактов приемных систем и комплексов», Ленинград, 1982 г. [198, 200];

— на Всесоюзной научно-технической конференции «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств», Москва-Горький, 1981 г. [130];

— на научно-техническом семинаре «Нелинейные эффекты в радиоприемных и усилительных устройствах», Москва, 1981 г.- на Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем», Калуга, 1989 г. [190];

— на семинаре «KB радиоприемные устройства», МЭИС, Москва, 1969 г. ;

— на I, II, III, V, VI и VIII научно-технических конференциях в ОНИИП, Омск, 1963 г.-1973 г. [234−239];

— на Омских областных математических конференциях [94, 195];

— на научных конференциях ОмГТУ [110, 111];

— на научно-техническом семинаре «Моделирование радиоканалов», Омск, 1989 г. [7, 242];

— на Международной конференции «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники». Москва, 1995 г. [160, 177];

— на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети (ИНФОРАДИО '96)», Омск, 1996 г. [179, 180, 192];

— на заседании Комиссии по связи и информатизации Администрации Омской области 29.05.97 г.;

— на семинарах в Институте информационных технологий и прикладной математики СО РАН, г. Омскна Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании», Томск, 2000 г. [109];

— на объединенном научно-техническом семинаре кафедр «Радиоэлектроника и защита информации», Теоретические основы радиотехники", Телевизионные устройства" и «Радиотехнические системы» в Томском государственном университете автоматизированных систем управления и радиоэлектроники, Томск, 2000 г.;

— на VI Международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций в Йошкар-Оле, 2000 г. [112, 204]- - на VI-ой научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова, Москва, 2001 г. [184];

— на Технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», Омск, 2001 г. [185];

— на VII международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций, Москва-Ульяновск. 2002 г. [113];

— на научно-технической конференции на 2-м Международном технологическом конгрессе «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе». Омск. 2003 г. [186];

— на 58-й научной сессии, посвященной Дню радио. Москва. 2003 г. [202];

— на 10-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. 2004 [107];

— на 11-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. 2005 [104, 243];

— на III Международном техническом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». Омск. 2005 г. 38];

— на IV Всероссийской научно-практической конференции «Имитационные технологии и математическое моделирование». Анджеро-Судженск. 2005 г. [218];

— на 11-й Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». Барнаул. 2005.

— на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики». Томск. 2006. [220, 221] на 13-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2007 [106, 169, 170].

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ (в том числе 74 в открытой печати (10 статей в журналах ВАК [103, 171−176, 232], монография [282]), 16 работ в закрытой печати) и получено 12 авторских свидетельств (в том числе [244²⁵⁰]). Подано в 2007 г. и находится на рассмотрении в ФГУ ФИПС 4 заявки на изобретение [251 -254].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержащего 282 наименований, пяти текстовых приложений и двух программных приложений, разработанных автором на языке QBASIC [256]. Основной текст диссертации изложен на 295 страницах и содержит 80 рисунков и 12 таблиц.

6.10. Основные результаты шестой главы.

В шестой главе сформулированы цели и задачи, которые стоят перед проектировщиками KB систем связи с подвижными объектами. Проанализированы известные варианты построения KB сетей связи с подвижными объектами, в которых используются удаленные ретрансляторы. Произведено сравнение разработанного автором проекта с известными альтернативными вариантами и показаны преимущества предлагаемого варианта построения системы мобильной автоматической радиосвязи, особенностью которого является то, что передача сообщений в сторону базового ретрансляционного пункта осуществляется маломощными передатчиками (2−20 Вт) в режиме медленнодействия (со скоростью манипуляции 4 бит/с) с уплотнением однополосного телефонного канала по частоте,.

288 а передача сообщений со стороны ретранслятора осуществляется в высокоскоросном режиме (500 бит/с) с уплотнением по времени и использованием фазовых методов манипуляции с минимально возможным пик-фактором. Обоснован ресурс частот, который необходим для работы такого рода сети. Разработаны алгоритмы функционирования абонентской и базовой аппаратуры системы связи МАРС в двух режимах работы: в одностороннем пейджинговом и двустороннем.

Произведена оценка основных характеристик (среднего времени доставки сообщений, коэффициента исправного действия и максимального числа абонентов) сети связи МАРС. Показано, что с помощью одного комплекта аппаратуры сети связи МАРС возможно обслуживание порядка 100 тыс. абонентов. Число комплектов аппаратуры МАРС может наращиваться и в пределе стремится к 50, что позволяет обслуживать на континенте до 5 млн. абонентов.

Выбор основных параметров KB КС, которые обеспечивают высокую надежность передачи сообщений в системе связи МАРС, научно обоснован с помощью разработанных автором методов моделирования KB КС, описанных в предыдущих главах.

Дано краткое описание разработанных по инициативе и под непосредственным руководством автора диссертации высоконадежных скрытных систем декаметровой радиосвязи, принятых на вооружение сухопутными войсками и ВМФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ РПУ и входящих в них элементов (усилителей, преобразователей частоты, ограничителей и др.) комбинированными функциями, включающими в себя в общем случае степенные, показательные и тригонометрические функции [94, 102, 109, 113, 173, 176, 194, 195, 204, 205, 226, 228, 230, 233, 237]. Разработанный метод отличается от известного и широко используемого метода представления ПХ НЭ степенными рядами тем, что позволяет получить предельно компактные аналитические выражения для различных характеристик (амплитудной, блокирования, интермодуляционной и др.) вышеперечисленных элементов. Кроме того, данный метод дает возможность определять интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при сколь угодно большом количестве воздействий на вход нелинейного элемента, что необходимо при моделировании трассовых испытаний СС в условиях, максимально приближенных к реальным.

2. Разработаны методы аналитического моделирования цифровых РПУ, отличающиеся тем, что характеристики квантователей, являющихся неотъемлемыми элементами АЦП, представляются комбинированными функциями. Данные методы позволяют аналитическим путем получать все основные характеристики цифровых РПУ и определять интермодуляционные составляющие спектра на выходе ЦАП РПУ при неограниченном числе воздействий на вход АЦП [92−94, 232, 233].

3. На основе аналитических моделей п. 1 и п. 2 разработаны новые методы имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний аналоговых и цифровых РПУ [4, 6, 92, 128, 120, 147, 196−198, 200], отличающихся динамическими диапазонами и другими параметрами, а также имеющими различные алгоритмы адаптации к условиям связи. Эти методы позволяют оценивать влияние отдельных характеристик РПУ на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания ФПИ РПУ, и, одновременно, дают возможность определять предельно достижимые уровни КИД КС с идеальным РПУ, что является необходимым для определения максимально возможного неиспользованного энергетического потенциала КС.

4. Разработан метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС без краевых искажений для сечения «выход кодера» — «вход декодера» [172, 174, 175, 187, 188, 190, 191, 218, 243], который отличается от известных тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры KB КС и замираний как сигнала, так и станционных помех, попадающих в полосу пропускания ФОИ РПУ. Кроме того, разработанный метод моделирования дискретного КС учитывает явление сдваивания ошибок при ОФТ. Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [172, 174, 192, 193, 316, 218] и кодеков с учетом возможной на высокой скорости манипуляции цикловой рассинхронизации из-за наличия «вставок» и «выпадений» элементов вследствие замираний отдельных лучей в КС.

5. Разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения «выход кодера» — «вход регенератора» [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240−243], который отличается от известного метода моделирования с отклонениями фронтов по нормальному закону тем, что он учитывает многолучевую структуру KB КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления, происходящие в элементах сообщения. С помощью данного метода моделирования возможно имитировать трассовые испытания регенераторов, устройств оценки качества принимаемых сигналов по краевым искажениям и устройств адаптации РПУ к условиям связи.

6. На основе модели п. 5 разработан не имеющий аналогов метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения «выход кодера» — «выход ФНЧ демодулятора» [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240−243]. Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе ФНЧ демодулятора.

7. Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения «выход модулятора» -" выход усилительного тракта РПУ" [48, 172, 174, 175], который учитывает тонкую структуру KB канала и позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от характера) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче. Этот метод позволяет формировать на выходе УТ РПУ как значения амплитуд, так и значения фаз результирующего вектора напряжения, представляющего собой сумму сигналов, пришедших в точку приема различными лучами, и всевозможных аддитивных помех, попадающих в полосу пропускания ФПИ РПУ. Отличительной особенностью этого метода является то, что он позволяет учитывать влияние нелинейности элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе и при моделировании устройств цифровой обработки сигналов позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.

8. Разработан новый метод имитационного компьютерного моделирования вектора напряженности электромагнитного поля в точке приема, позволяющий создать пространственно-временную модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого канала связи и с учетом как углов прихода отдельных лучей, так и характера поляризации электромагнитной волны в каждом из них [172, 174, 175, 216, 218]. Этот метод позволяет при имитации трассовых испытаний учитывать влияние на надежность передачи сообщений параметров приемных антенн, сравнивать способы приема сигналов на разнесенные в пространстве и по поляризации антенны, оценивать эффективность функционирования компенсаторов станционных помех.

9. Разработан метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, отличающийся возможностью исследования тонкой структуры KB КС с одновременной регистрации общей огибающей импульсной реакции KB КС и значений комплексных коэффициентов передачи отдельных лучей KB канала связи как функций времени [279−280]. Результаты исследований, полученные с помощью этого метода были использованы при разработке физических и математических моделей KB КС.

10. Разработан новый, не имеющий аналогов метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи [20, 115, 238, 239], отличающийся тем, что, используя принятый из эфира гармонический сигнал, имеющий реальные замирания, производят манипуляцию его параметров, преобразуют с помощью возбудителя в заданный диапазон частот, в котором присутствуют необходимые станционные помехи, излучают преобразованный по частоте сигнал с заданным уровнем и через внешнюю среду принимают приемником, настроенным на частоту этого сигнала. Данный метод физического моделирования позволяет имитировать трассовые испытания реальных низкоскоростных систем связи в условиях, практически ничем не отличающихся от реальных.

11. Разработан метод моделирования трассовых испытаний KB КС в условиях воздействия преднамеренных помех, который позволил дать ряд рекомендаций для проектировщиков скрытных систем передачи сообщений.

12. С помощью разработанных методов математического и физического моделирования научно обоснованы основные технические решения обеспечивающие высокую надежность и одновременно скрытность передачи дискретных сообщений со стороны ПО по декаметровому КС. Эти технические решения были положены в основу разработанных в интересах сухопутных войск и ВМФ СС, которые были приняты МО СССР на вооружение и подтвердили на практике высокие показатели надежности и скрытности передачи сообщений [245 247, 250 и др.].

13. Разработаны и научно обоснованы с использованием предложенных в работе методов математического и физического моделирования принципы построения высоконадежных KB КС, в том числе для сети мобильной автоматической KB радиосвязи со свободным доступом пользователей, использующей удаленные ретрансляторы [47, 103−107, 115, 159, 169−171, 177, 178 186, 251,252, 255],.

Как показали исследования, использование в КС предельно низкой скорости манипуляции (4−5 бод) при передаче сообщений от абонентов позволяет уменьшить мощность периферийных передатчиков до величины единиц-десятков Вт, что дает возможность размещать эти передатчики на сухопутных, водных и воздушных транспортных средствах. Используя при этом частотное разнесение поднесущих ЧТ сигнала с их индивидуальным приемом как двух AT сигналов, различные методы разнесенного приема в месте расположения ретрансляторов, цифровую обработку сигналов, избыточное кодирование, переспрос по обратному каналу связи недостоверно принятых фрагментов сообщений и адаптацию радиолинии к условиям связи, возможно обеспечить предельно высокую надежность передачи сообщений как со стороны ретрансляторов, так и со стороны подвижных объектов.

Использование фазовых методов манипуляции (ОФТ-500 и ДОФТ-500) при передаче сообщений со стороны ретранслятора и фазовой автоподстройки частоты в корреспондентской радиостанции позволяет обеспечить необходимую стабильность частоты на всех подвижных объектах, включая реактивные самолеты.

Для реализации такого рода континентальной евразийской системы связи требуется 12 ретрансляторов, из которых 3 должны быть расположены за рубежом. Уплотнение каналов связи по частоте позволило при этом ограничиться 12 номиналами рабочей частоты для всех ретрансляторов и абонентов.

14. Результаты исследований проведенных под руководством автора диссертации с помощью разработанных им математических моделей различных методов адаптации РПУ по чувствительности [129, 249] способствовали внедрению этих методов в современные серийно выпускаемые РПУ.

15. Получен ряд новых аналитических выражений для рядов функций Бесселя, которые могут иметь самостоятельное значение в физико-математических приложениях.

Очевидно, что все перечисленные результаты диссертационной работы имеют в совокупности большое значение для успешного развития экономики страны и для повышения ее обороноспособности.

В заключение необходимо указать на наиболее перспективные, с точки зрения автора, направления продолжения проведенных работ в части использования разработанных математических моделей и их совершенствования:

— дальнейшее совершенствование предложенных методов математического моделирования для исследования надежности передачи сообщений в условиях радиоэлектронного противодействия противоборствующей стороны;

— разработка адекватной модели ионосферы, определяющей параметры канала связи по заданным координатам передатчика и приемника, заданным времени года и времени суток, заданной величине солнечной активности и учитывающей рассеивание напряженности, углов прихода и параметров поляризации электромагнитных волн, приходящих в точку приема сигнала отдельными лучами;

— разработка имитационной модели сети предложенного варианта системы мобильной автоматической KB радиосвязи с удаленными ретрансляторами;

— разработка на предложенных принципах аналитического моделирования нелинейных элементов математической модели передающих устройств с целью исследования перекрестных помех, возникающих в групповых сигналах;

— продолжение работ, начатых в [131, 201], по разработке на предложенных принципах аналитического моделирования нелинейных элементов моделей приемопередающих центров с целью исследования ЭМС радиотехнических устройств в группировках радиоэлектронных средств.

— продолжение исследований в направлении повышения динамического диапазона РПУ за счет использования новых технологий цифровой обработки сигналов [217].

— проведение исследований режима адаптации по скорости передачи сообщений в условиях замирания сигнала с учетом результатов, полученных в [53];

— исследование возможности внедрения сетки точного времени с целью повышения надежности связи за счет квазикогерентного приема КАМ сигналов [253];

— исследование возможности использования вместо ОФМ в KB КС обычной ФМ с обнаружением «обратной работы» за счет избыточности кода, что позволит избежать сдваивания ошибок и позволит увеличить помехоустойчивость KB КС [295];

— исследование возможности автоматической подстройки частоты сигнала при передаче его с быстро перемещающегося объекта (например, реактивного самолета), позволяющей компенсировать смещение частоты передаваемого сигнала за счет эффекта Доплера, что обеспечит его попадание в узкополосный фильтр основной избирательности базового ретранслятора. При этом необходимо иметь в виду, что передача сигнала с подвижного объекта в этом случае должна производиться с отстройкой от номинала частоты в противоположную сторону по сравнению с отстройкой от этого номинала частоты принимаемого этим объектом сигнала.

К диссертации прилагается диск с программами моделей одномерных и двухмерных каналов связи, реализованными лично автором диссертации на основе разработанных им методов.